液压教案--第3章-液压泵与液压马达

授课内容备注第3章液压泵与液压马达教学目的：1、掌握液压泵的工作原理及分类；2、掌握液压泵主要工作参数计算；3、掌握齿轮泵工作原理和结构上存在的问题；4、重点掌握叶片泵的结构特点、分类及工作原理教学重点：1、液压泵的工作原理及分类；2、液压泵主要工作参数计算；3、齿轮泵工作原理和结构上存在的问题；4、叶片泵的结构特点、分类及工作原理教学难点：1.齿轮泵工作原理和结构上存在的问题；2.叶片泵的结构特点、分类及工作原理教学方法及手段：讲授法课外作业：3-5,3-6,3-9学时分配：7个学时自学内容：教学内容：3.1概述3.1.1液压泵的工作原理及分类1、液压泵的工作原理液压泵都是依靠密封容积变化的原理来进行工作的，故一般称为容积式液压泵，如图所示的是一单柱塞液压泵的工作原理图。3.1.2液压泵和液压马达的主要工作参数1、压力(1)工作压力；(2)额定压力；(3)最高允许压力。2、排量和流量(1)排量V。液压泵每转一周,由其密封容积几何尺寸变化计算而得的排出液体的体积叫液压泵的排量。(2)理论流量qi。理论流量是指在不考虑液压泵的泄漏流量的情况下,在单位时间内所排出的液体体积的平均值。显然,如果液压泵的排量为V,其主轴转速为n,则该液压泵的理论流量qi为：iqVn授课内容备注(3)实际流量q。液压泵在某一具体工况下,单位时间内所排出的液体体积称为实际流量。(4)额定流量qn。液压泵在正常工作条件下,按试验标准规定(如在额定压力和额定转速下)必须保证的流量。3、功率和效率液压泵由电机驱动，输入量是转矩和转速（角速度），输出量是液体的压力和流量；液压马达则刚好相反，输入量为液体的压力和流量，输出量是转矩和转速（角速度）。如果不考虑液压泵在能量转换过程中的损失，则输出功率等于输入功率，也就是他们的理论功率是：nTTipVnpqPiii2⑴液压泵的功率损失。实际上，液压泵和液压马达在能量转换过程中是有损失的，因此输出功率小于输入功率。两者之间的差值即为功率损失，功率损失有容积损失和机械损失两部分。(2)液压泵的功率。①输入功率Pi。液压泵的输入功率是指作用在液压泵主轴上的机械功率,当输入转矩为T0，角速度为ω时,有：0ipT②输出功率Po。液压泵的输出功率是指液压泵在工作过程中的实际吸、压油口间的压差Δp和输出流量q的乘积,即：ppq式中：Δp为液压泵吸、压油口之间的压力差(N/m2);q为液压泵的实际输出流量(m3/s);p为液压泵的输出功率(N·m/s或W)。(3)液压泵的总效率。液压泵的总效率是指液压泵的实际输出功率与其输入功率的比值,即：mvmiviiTpqTpqpp0其中Δpqi／ω为理论输入转矩Ti。3.2齿轮泵3.2.1齿轮泵的工作原理和结构1、齿轮泵的工作原理如图所示。它是分离三片式结授课内容备注构，三片是指泵盖和泵体，泵体内装有一对齿数相同、宽度和泵体接近而又互相啮合的齿轮，这对齿轮与两端盖和泵体形成一密封腔，并由齿轮的齿顶和啮合线把密封腔划分为两部分，即吸油腔和压油腔。两齿轮分别用键固定在由滚针轴承支承的主动轴和从动轴上，主动轴由电动机带动旋转。2、齿轮泵存在的问题1）齿轮泵的困油问题：齿轮泵要能连续地供油,就要求齿轮啮合的重叠系数ε大于1,也就是当一对齿轮尚未脱开啮合时,另一对齿轮已进入啮合,这样,就出现同时有两对齿轮啮合的瞬间,在两对齿轮的齿向啮合线之间形成了一个封闭容积,一部分油液也就被困在这一封闭容积中,齿轮连续旋转时,这一封闭容积便逐渐减小,到两啮合点处于节点两侧的对称位置时,封闭容积为最小,齿轮再继续转动时,封闭容积又逐渐增大,直到所示位置时,容积又变为最大。在封闭容积减小时,被困油液受到挤压,压力急剧上升,使轴承上突然受到很大的冲击载荷,使泵剧烈振动,这时高压油从一切可能泄漏的缝隙中挤出,造成功率损失,使油液发热等。当封闭容积增大时,由于没有油液补充,因此形成局部真空,使原来溶解于油液中的空气分离出来,形成了气泡,油液中产生气泡后,会引起噪声、气蚀等一系列恶果。以上情况就是齿轮泵的困油现象。这种困油现象极为严重地影响着泵的工作平稳性和使用寿命。2）径向不平衡力：齿轮泵在工作时，作用在齿轮外圆上的压力是不均匀的，在压力腔和吸油腔齿轮外圆分别承受着系统工作压力和吸油压力；在齿顶圆与泵体内孔的径向间隙中，可以认为油液压力由高压腔压力逐渐下降到吸油腔压力。这些液体压力综合作用的合力，相当于给齿轮一个径向不平衡力，使齿轮和轴承受载。3）齿轮泵的径向不平衡力：齿轮泵工作时,在齿轮和轴承上承受径向液压力的作用。如图所示,泵的右侧为吸油腔,左侧为压油腔。在压油腔内有液压力作用于齿轮上,沿着齿顶的泄漏油,具有大小不等的压力,就是齿轮和轴承受到的径向不平衡力。液压力越高,这个不平衡力就越大,其结果不仅加速了轴承的磨损,降低了轴承的寿命,甚至使轴变形,造成齿顶和泵体内壁的摩擦等。3.2.2齿轮泵的流量计算齿轮泵的实际输出流量q(1/min)为：236.6610vqzmBn式中：n－齿轮泵转速(rpm)；Z－齿数；B－齿宽；m-模数；ηv－为齿轮泵的容积效率。授课内容备注3.3叶片泵3.3.1单作用叶片泵1、单作用叶片泵的工作原理如图所示，这种叶片泵在转子每转一周，每个工作空间完成一次吸油和压油，因此称为单作用叶片泵。转子不停地旋转，泵就不断地吸油和排油。2、单作用叶片泵的流量计算泵的实际输出流量为：vBeDnq2式中：B－叶片宽度；e-转子与定子偏心距；D－定子内径；n-泵的转速；ηv－泵的容积效率。3、特点(1)改变定子和转子之间的偏心便可改变流量。偏心反向时,吸油压油方向也相反;(2)处在压油腔的叶片顶部受到压力油的作用,该作用要把叶片推入转子槽内；(3)由于转子受到不平衡的径向液压作用力,所以这种泵一般不宜用于高压；(4)为了更有利于叶片在惯性力作用下向外伸出，而使叶片有一个与旋转方向相反的倾斜角，称后倾角，一般为24°。4、限压式变量叶片泵授课内容备注1.外反馈限压式变量叶片泵的工作原理限压式变量叶片泵是单作用叶片泵,根据前面介绍的单作用叶片泵的工作原理,改变定子和转子间的偏心距e,就能改变泵的输出流量,限压式变量叶片泵能借助输出压力的大小自动改变偏心距e的大小来改变输出流量，其工作原理如上图所示。泵的工作压力愈高,偏心量就愈小,泵的输出流量也就愈小,控制定子移动的作用力是将液压泵出口的压力油引到柱塞上,然后再加到定子上去,这种控制方式称为外反馈式。3.3.2双作用叶片泵1.双作用叶片泵的工作原理双作用叶片泵的工作原理如下图所示,泵也是由定子1、转子2、叶片3和配油盘(图中未画出)等组成。当转子每转一周,每个工作空间要完成两次吸油和压油,所以称之为双作用叶片泵,这种叶片泵由于有两个吸油腔和两个压油腔,并且各自的中心夹角是对称的,所以作用在转子上的油液压力相互平衡,因此双作用叶片泵又称为卸荷式叶片泵,为了要使径向力完全平衡,密封空间数(即叶片数)应当是双数。2.叶片泵的优缺点及其应用主要优点：授课内容备注(1)输出流量比齿轮泵均匀，运转平稳，噪声小。(2)工作压力较高，容积效率也较高。(3)单作用式叶片泵易于实现流量调节，双作用式叶片泵则因转子所受径向液压力平衡，使用寿命长。(4)结构紧凑，轮廓尺寸小而流量较大。主要缺点：(1)自吸性能较齿轮泵差，对吸油条件要求较严，其转速范围必须在500~1500r/min范围内。(2)对油液污染较敏感，叶片容易被油液中杂质咬死，工作可靠性较差。(3)结构较复杂，零件制造精度要求较高，价格较高。叶片泵一般用在中压(6.3MPa)液压系统中，主要用于机床控制，特别是双作用式叶片泵因流量脉动很小，因此在精密机床中得到广泛使用。3.4柱塞泵3.4.1.径向柱塞泵1.轴向柱塞泵的工作原理轴向柱塞泵有两种形式,直轴式(斜盘式)和斜轴式(摆缸式),如图所示为直轴式轴向柱塞泵的工作原理,缸体每转一周,每个柱塞各完成吸、压油一次,如改变斜盘倾角,就能改变柱塞行程的长度,即改变液压泵的排量,改变斜盘倾角方向,就能改变吸油和压油的方向,即成为双向变量泵。2.轴向柱塞泵的排量和流量计算：轴向柱塞泵的实际数输出流量为:vZnDdqtan42d-柱塞直径；V－容积效率为；－斜盘轴线与缸体轴线间的夹角；Z-柱塞数。其余符号意义同前。实际上,由于柱塞在缸体孔中运动的速度不是恒速的,因而输出流量是有脉动的,当柱塞数为奇数时,脉动较小,且柱塞数多脉动也较小,因而一般常用的柱塞泵的柱塞个数为7、9或11。3.轴向柱塞泵的结构特点(1)典型结构下图所示为一种直轴式轴向柱塞泵的结构。随着传动轴的转动,液压泵连续地吸油和排油。授课内容备注(2)变量机构若要改变轴向柱塞泵的输出流量,只要改变斜盘的倾角,即可改变轴向柱塞泵的排量和输出流量。这种变量机构结构简单,但操纵不轻便,且不能在工作过程中变量。3.5各类液压泵的性能比较及应用液压系统中常用液压泵的性能比较性能外啮合轮泵双作用叶片泵限压式变量叶片泵径向柱塞泵轴向柱塞泵输出压力低压中压中压高压高压流量调节不能不能能能能效率低较高较高高高输出流量脉动很大很小一般一般一般自吸特性好较差较差差差对油的污染敏感性不敏感较敏感较敏感很敏感很敏感噪声大小较大大大一般来说,由于各类液压泵各自突出的特点,其结构、功用和动转方式各不相同,因此应根据不同的使用场合选择合适的液压泵。一般在机床液压系统中,往往选用双作用叶片泵和限压式变量叶片泵;而在筑路机械、港口机械以及小型工程机械中往往选择抗污染能力较强的齿轮泵;在负载大、功率大的场合往往选择柱塞泵。3.6液压马达1、液压马达的分类液压马达与液压泵一样，按其结构形式分仍有齿轮式、叶片式和柱塞式；授课内容备注按其排量是否可调仍有定量式和变量式。液压马达一般根据其转速来分类，有高速液压马达和低速液压马达两类。一般认为，额定转速高于500r/min的马达属于高速液压马达；额定转速低于500r/min的马达属于低速液压马达。低速液压马达的输出转矩较大，所以又称为低速大转矩液压马达。低速液压马达的主要缺点是：体积大，转动惯量大，制动较为困难。2、液压马达的工作原理和图形符号以叶片式液压马达为例，通常是双作用的，其工作原理如上图所示。叶片式液压马达一般都是双向定量液压马达。为保证叶片马达正、反转的要求，叶片沿转子径向安放，进、回油口通径一样大，同时叶片根部必须与进油腔相通，使叶片与定子内表面紧密接触，在泵体内装有两个单向阀。3、液压马达在结构上与液压泵的差异（1）液压马达是依靠输入压力油来启动的，密封容腔必须有可靠的密封。（2）液压马达往往要求能正、反转，因此它的配流机构应该对称，进出油口的大小相等。（3）液压马达是依靠泵输出压力来进行工作的，不需要具备自吸能力。（4）液压马达要实现双向转动，高低压油口要能相互变换，故采用外泄式结构。（5）液压马达应有较大的启动转矩，为使启动转矩尽可能接近工作状态下的转矩，要求马达的转矩脉动小，内部摩擦小，齿数、叶片数、柱塞数比泵多一些。授课内容备注同时，马达轴向间隙补偿装置的压紧力系数也比泵小，以减小摩擦。虽然马达和泵的工作原理是可逆的，由于上述原因，同类型的泵和马达一般不能通用。